永和縣永紅橋改造工程防洪評價探討

陳運寧

（山西路翔交通科技咨詢有限公司，山西 太原 030006）

1 項目概況

永紅橋是正大路跨越芝河的控制性工程，該橋建設于1970年，為1孔60 m的空腹式雙曲拱橋，橋面全長80 m，橋面全寬不到9 m，車行道凈寬7 m，兩側各設50 cm的人行道。該橋橋面較窄，人車混行。作為永和縣進出縣城中心的正大路擴寬改造的控制性工程，永紅橋的改造勢在必行。

圖1 永紅橋現狀

改造后的永紅橋上部結構采用3孔21 m預應力鋼筋混凝土連續箱梁，橋寬18 m，下部結構采用柱式墩、柱式臺，基礎采用擴大基礎。中墩寬1.3 m，橋面設計高程887.25 m，梁底高程885.85 m，橋梁軸線與河道軸線的夾角為60°。

2 防洪標準確定

按《城市橋梁設計規范》（CJJ11—2011），“城市橋梁設計宜采用百年一遇的洪水頻率，……”。“城市中防洪標準較低的地區，當按百年一遇或三百年一遇的洪水設計頻率設計，導致橋面高程較高而引起困難時，可按相交河道或排洪溝渠的規劃洪水頻率設計，……”[1]。

縣城段河槽兩岸均修建了高約8 m的砌石堤壩，堤防等級為四級，采用20年一遇洪水標準設計。如果永紅橋的改造按照百年一遇設計，那么將導致永紅橋的橋面高程增加較大，兩邊道路將無法與之銜接，因此不宜將洪水頻率設計較高，而按照20年一遇的堤壩洪水頻率設計又較低。經過計算，改造后的永紅橋基本滿足50年一遇洪水設計頻率，因此，永紅橋的設計洪水頻率為50年一遇。

3 水文分析計算

3.1 流域概況

芝河屬黃河一級支流,發源于永和縣城東北約20 km的四十里山下的坡頭鄉李家崖村,全長62 km，河道平均縱坡為15‰，流域面積791.5 km2，流域平均寬度12.8 km。

永和縣永紅橋改造工程位于芝河河道永和縣城區段，在段家河支流匯入口的上游約300 m處，工程所在位置控制流域面積 295.05 km2，河道長27.8 km，河道平均縱坡為 11‰，流域平均寬度26.6 km。流域屬晉西黃土殘塬丘陵溝壑區。

芝河無水文測站，屬無資料河流。

3.2 暴雨特征

芝河流域地形屬晉西黃土殘塬丘陵溝壑區，地貌組成屬于土石山區，加上芝河目前無控制性工程，一旦發生暴雨，便可能形成洪水。洪水成因是夏季暴雨，故年內分配不均勻，汛期是每年6—9月，最大洪峰流量多發生在7、8月份。

3.3 洪峰流量分析

芝河為無資料地區，采用山西省水利廳編著的《山西省水文計算手冊》（2011）計算洪峰流量。

3.3.1 設計暴雨計算

本工程流域位于《手冊》暴雨分區圖中的“西區”，由《手冊》查得各歷時的暴雨統計特征值，求得各個頻率各種歷時的點雨量，并根據點面關系的各種參數，求得面雨量，見表1。

表1 控制流域暴雨計算成果表

3.3.2 產流分析計算

根據工程所在流域下墊面條件及設計洪水流域前期持水度BO、P進行產流計算，頻率為2%設計洪水流域前期持水度取0.58。控制流域產流地類有黃土丘陵溝壑區295.05 km2。根據《手冊》表7.3.1.2查得黃土丘陵溝壑區風干流域吸收率Sr=20.0，流域導水率Ks=1.30[2]。

使用雙曲正切模型計算設計洪水凈雨深，設計洪水凈雨深成果見表2。

表2 產流參數及結果

3.3.3 匯流計算

匯流計算方法采用流域模型法和推理公式法分別計算。

流域模型法:由《手冊》附圖4結合現場查看實際情況，控制流域匯流地類為草坡山地。流域模型法參數根據《手冊》表7.3.2.1，β1=0.047，β2=0.19，α=0.397，草坡山地單一地類匯流參數C1=1.046，C2=0.717[2]，匯流計算成果見表3。

表3 流域模型法洪水計算成果表

推理公式法:匯流參數m根據《手冊》表7.3.3.查得，m=0.26[2]，匯流計算成果見表4。

表4 推理公式法洪水計算成果表

3.3.4 成果

設計洪峰流量采用幾種方法中的大值做為本次洪水成果。通過計算分析確定芝河在永紅橋處的洪水成果采用流域模型法計算結果，2%洪峰流量為1 947 m3/s。

3.4 永紅橋水面曲線計算

對永紅橋上下游約0.5 km的范圍內進行了測量，測量了縱橫斷面，起始縱斷樁號0+000，終點樁號為0+525。永紅橋位于樁號0+383.23處。

洪水位計算采用一般天然河流水面曲線計算方法。

天然河道洪水糙率《手冊》附錄Ⅱ調查洪水用表中附錄Ⅱ-1天然河道糙率表[2]，根據附近河道情況來綜合選定。河道比降采用紅衛橋段河流處上下游一定范圍內河流縱斷面外業測量計算成果。水力半徑、斷面面積、濕周均根據河道橫斷面測量成果，根據水位計算得到。

天然河流水面曲線計算的基本關系式為：

式中：Z上、Z下為上、下斷面的水位,m；ζ為動能校正系數；α為河段變化局部損失系數，取值范圍為-0.5～0.5；Q 為流量，m3/s；Δs為河段長度，m；J為水利坡降。

根據河道橫斷面及河段縱斷面情況，選擇河道糙率為0.03。

2%洪峰流量為1 947 m3/s。0+000斷面，2%洪水頻率的設計洪水位采用曼寧公式計算為889.47 m。

水面曲線計算采用由上游向下游逐段試算,以0+000斷面為初始斷面，計算永紅橋斷面及上下游一定范圍內河道的水位，便可得到整個計算河道的水面曲線，橋址斷面河寬57.99 m，建橋后，河道中設兩個1.3 m寬的橋中墩，邊墩1.3 m，使該處河道斷面縮窄3.9 m，凈寬54.09 m，縮窄率6.7%。建橋前后，水面線成果見表5。

3.5 橋梁凈空高度復核

永紅橋梁底高程為885.85 m，2%洪水位為885.14 m，相差0.71 m。由于芝河所處流域表層黃土覆蓋層極易被沖刷切割，洪水中攜帶大量泥沙。橋下凈空按照《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）要求的非通航河流且有泥石流的最小值為1.0 m[1]。該橋為0.71 m，不符合要求。

表5 五十年一遇洪水水面線計算成果

經與橋梁設計部門及建設單位協商溝通，考慮兩側道路的接線高程，可適當提高橋梁的設計高程。因此建議將橋面高程提高0.3 m，同時梁底調整為886.15 m，橋下凈空高度為886.15 m-885.14 m=1.0 m，滿足規范要求。

3.6 沖刷分析

永紅橋所在河段河床為砂巖地段，橋梁采用擴大基礎，基礎埋置在砂巖內，河道沖刷對橋梁基礎無影響，不再進行沖刷計算。

4 結語

我國在20世紀中期修建了大量的拱橋，隨著城市的發展，這些橋梁無論在技術標準還是美觀程度上都漸漸不能適應現代城市的要求，需要加以改造。在改造過程中，應根據實際河流情況結合規范要求適當提高建設標準，以滿足道路發展的需求。